CN111487998A - 一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法，对连续接收的实时目标位置的雷达引导信息，进行基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置；再利用多区域目标检测法和基于特征匹配的目标过滤法搜索定位视频图像中的雷达引导目标，结合二次过滤，实现雷达引导目标的自动确认与图像波门锁定；最后根据雷达引导目标在视频图像中的相对位置与图像中心的偏差，并利用指向器运动稳定控制技术控制指向器平稳运动，使图像中心对准锁定的雷达引导目标，完成目标捕获。本发明的方法实现了目标引导、锁定和捕获的自动化，提高了响应速度、捕获准确性和概率，增强了抗干扰能力，缩短了捕获时间。

Description

一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法和装置

技术领域

本发明涉及光电跟踪侦察技术领域，尤其涉及一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法和装置。

背景技术

光电跟踪设备是一个集光、机、电和控制等技术于一体的复杂的系统，广泛应用于军事和民用的众多领域，比如，现代火控系统的探测手段主要依靠雷达和光电跟踪设备两种探测设备。

光电跟踪设备在接收雷达系统引导信息，对指定目标进行捕获跟踪时，设备伺服控制模块切换到目指引导工作模式，该工作模式下光电设备实时接收目标位置角度引导信息，通过光电指向器当前指向角与引导指向角度差进行伺服控制解算得到电机驱动电压，驱动光电指向器转动指向被引导目标位置区域并保持与引导目标运动角速度一致，传感器模块负责采集跟踪目标的视频图像信息，在此过程中目标将始终出现在光电视频图像中，操作员在光电视频显示器中通过人眼搜索和确认目标后转入手动模式，在手动模式下操作员操控单杆转动光电指向器，使电视频图像的中心对准目标后开启图像目标搜索检测功能，图像跟踪模块通过对视频中心区域图像数据分析处理检测并锁定目标图像，操作员确认目标被图像跟踪波门锁定后，转入到自动跟踪模式，该模式下伺服控制模块根据图像跟踪模块传送的目标与图像中心的位置偏差信息和实时接收测陀螺仪测角速度信息进行伺服控制解算得到电机驱动电压，驱动光电指向器转动并使其指向中心实时对准目标，完成对目标的捕获和跟踪。

雷达引导转入目标跟踪的工作过程中，传统方法没有使用机器自动化完成这一操作的主要原因有两点：一是由于雷达系统自身存在目标探测精度误差，与光电跟踪设备间也可能存在校准误差，使得引导过程中目标不一定出现在光电视频的图像中心，要对目标进行跟踪首先要图像处理模块在光电视频图像中搜索到目标，传统的目标图像检测方法一般只支持图像中心或指定位置区域一定面积以内的目标图像检测，区域外的目标检测与锁定必须通过人工辅助完成；二是光电视频图像中可能存在其它干扰目标，传统方法中没有对干扰目标进行有效过滤并最终确认真实的雷达引导目标的自动处理方法，处理系统无法自动鉴别出真实目标并对其进行图像波门的锁定而不得不使用人工辅助锁定目标。使用传统方法的弊端在于，引导过程中人工干预对目标进行图像锁定操作时需要退出引导模式改而使用手动模式，手动模式下光电指向器不再自动保持与引导目标等角速度同步运动，而需要操作员通过手动控制指向器追赶目标使其落入光电视频图像中心区域并对其进行图像波门锁定，当目标具有较大的相对运动角速度和角加速度时，手动追赶并锁定目标对于操作员来说是一件较为困难的工作，很容易出现目标丢失而导致目标捕获失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中需要人工干预的缺陷，提供一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法和装置，自动完成从雷达指示引导到目标确认锁定捕获转入跟踪的工作任务，有效避免人为操作失误造成的目标捕获失败，显著提高了目标捕获的便捷性、快速性和准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种光电跟踪设备的自动目标捕获方法，包括以下步骤：

S1、对连续接收的实时的目标位置雷达引导信息，进行基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置；

S2、利用多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法搜索定位电视传感器或红外传感器的视频图像中的雷达引导目标，实时更新记录被定位目标在视频图像中的相对位置，如果定位出的目标多于1个，则进行二次过滤，如果定位目标只有一个，则用图像跟踪波门锁定雷达引导目标；

S3、根据雷达引导目标在视频图像中的相对位置与图像中心的偏差，进行处理解算，并利用指向器运动稳定控制技术控制指向器转动，使图像中心对准锁定的雷达引导目标，完成雷达引导目标捕获。

接上述技术方案，步骤S1中的基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置，包括以下步骤：

S11、根据雷达引导信息获取的目指引导角度以及指向器当前的角度计算二者的角度差，即指向器调整角度；

S12、如果指向器调整角度大于分段控制参考阈值，指向器的外方位框架、外俯仰框架向目指引导角度运动的同时控制指向器的内方位框架和内俯仰框架处于旋转反向满偏位置，跳转到步骤S11，否则进入下一步；

S13、指向器调整角度不大于分段控制参考阈值，指向器的内方位框架和内俯仰框架向目指引导角度运动，同时控制指向器的外方位框架和外俯仰框架跟随指向器的内方位框架和内俯仰框架运动，重复该步骤，直到指向器当前角度和目指引导角度一致。

接上述技术方案，步骤S2中的多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法，包括以下步骤：

S21、将视频图像分成4x4个的检测区域；

S22、进行目标初次检测，即从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，记录发现的目标位置信息，作为目标参考位置；

S23、目标周期循环检测，即在一个检测周期内，根据上次的目标参考位置，再次从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，如果该区域已有目标参考位置记录，则优先在记录位置附近检测目标；

S24、利用引导模式下指向器和雷达引导目标做等速同步运动的特征，对被检测出目标在多个连续检测周期中目标的位置信息进行关联分析，过滤掉相对位置变化过大的目标，保留与指向器相对同步运动的目标；

S25、重复步骤S23和步骤S24，实现雷达引导目标的定位。

接上述技术方案，步骤S2中的二次过滤是指：对视频图像进行多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤后的定位目标数量不止1个，将所有定位目标按被记录的相对位置与视频图像中心由近到远的顺序依次对目标进行捕获跟踪并测距，利用指向器与各捕获目标之间的距离与雷达引导信息中目标距离值进行比较，二者差值最小的捕获目标为正确的雷达引导目标。

接上述技术方案，步骤S3中的指向器运动稳定控制技术是指：在目标捕获阶段对指向器的内方位随动单元和内俯仰随动单元的速度环输出进行幅度限制，控制步骤S3中的指向器在捕获过程中的转动加速度和速度。

接上述技术方案，步骤S2中图像跟踪波门是指：图像处理检测和锁定目标时在视频图像中叠加显示的一个大小可变的空心方框。

提供一种光电跟踪设备的自动目标捕获装置，实现上述的自动目标捕获方法，包括指向器、捕获传感器模块和综合控制模块，所述捕获传感器模块设置于所述指向器中，并分别和所述综合控制模块连接，所述综合控制模块包含伺服控制模块、图像跟踪模块和综合信息处理模块，彼此之间通过电缆连接并设置于控制机柜中。

接上述技术方案，所述指向器为两轴四框架结构，包括内俯仰框架结构、内方位框架结构、外俯仰框架结构和外方位框架结构，其中，

所述内俯仰框架结构，包括内俯仰陀螺仪、内俯仰测角传感器、内俯仰框架、内俯仰轴和内俯仰电机，所述内俯仰陀螺仪、内俯仰测角传感器与内俯仰电机分别设置于内俯仰框架上并和综合控制模块分别连接，所述内俯仰框架设置于所述内俯仰轴上，能绕所述内俯仰轴转动；

所述内方位框架结构包括内方位陀螺仪、内方位测角传感器、内方位框架、内方位轴上和内方位电机，所述内方位电机、内方位陀螺仪和内方位测角传感器分别设置于内方位框架上并和综合控制模块分别连接，所述内方位框架设置于所述内方位轴上，且能绕所述内方位轴转动；

所述外俯仰框架结构包括外俯仰测角传感器、外俯仰框架、外俯仰轴和外俯仰电机，所述外俯仰测角传感器和外俯仰电机分别设置于所述外俯仰框架上并和综合控制模块分别连接，所述外俯仰框架设置于所述外俯仰轴上，且能绕所述外俯仰轴转动；

所述外方位框架结构包括外方位测角传感器、外方位框架、外方位电机和外方位转轴，所述外方位测角传感器和外方位电机分别设置于所述外方位框架上并和综合控制模块分别连接,外方位框架设置于所述外方位转轴上，且能绕所述外方位转轴转动。

接上述技术方案，所述捕获传感器模块为激光测距仪、电视传感器和红外传感器，所述激光测距仪用于获取指向器和捕获目标之间的距离，所述电视传感器和红外传感器用于获取捕获目标的视频图像。

本发明产生的有益效果是：本发明提供一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法和装置，先对连续接收的实时的目标位置雷达引导信息，进行基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置；再利用多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法结合二次过滤，实现雷达引导目标的自动确认与图像波门锁定；最后利用指向器运动稳定控制技术控制指向器转动，使图像中心对准锁定的雷达引导目标，完成雷达引导目标捕获。本发明的方法实现了目标引导、锁定和捕获的自动化，在满足目标指示响应精度条件的前提下提高了响应速度、捕获准确性和概率，增强了抗干扰能力，缩短了捕获时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明方法的总体流程图；

图2是本发明方法的分段控制的快速调旋策略的流程图；

图3是本发明方法的多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法的流程图；

图4是本发明装置的框图；

图5是本发明装置的指向器的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，提供一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法，包括以下步骤：

S1、对连续接收的实时的目标位置雷达引导信息，进行基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置，分段控制的快速调旋策略可在满足目标指示响应精度条件的前提下提高其响应速度，缩短系统反应时间。

S2、利用多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法搜索定位电视传感器或红外传感器的视频图像中的雷达引导目标，实时更新记录被定位目标在视频图像中的相对位置，如果定位出的目标多于1个，则进行二次过滤，如果定位目标只有一个，则用图像跟踪波门锁定雷达引导目标；整个过程由机器决策自主完成，缩短系统反应时间，抗干扰能力强，有效避免人为操作失误引起的捕获失败。

S3、根据雷达引导目标在视频图像中的相对位置与图像中心的偏差，进行处理解算，并利用指向器运动稳定控制技术控制指向器转动，使图像中心对准锁定的雷达引导目标，完成雷达引导目标捕获。无需人工手动将指向器指向中心对准目标进行捕获，实现目标自动捕获，并通过伺服加速稳定算法有效规避因指向器加速度过快造成的锁定目标丢失等问题，缩短捕获时间，提高捕获准确性和概率。

进一步地，如图2所示，步骤S1中的基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置，包括以下步骤：

S11、根据雷达引导信息获取的目指引导角度以及指向器当前的角度计算二者的角度差，即指向器调整角度；

S12、如果指向器调整角度大于分段控制参考阈值，指向器的外方位框架、外俯仰框架向目指引导角度运动的同时控制指向器的内方位框架和内俯仰框架处于旋转反向满偏位置，跳转到步骤S11，否则进入下一步；

S13、指向器调整角度不大于分段控制参考阈值，指向器的内方位框架和内俯仰框架向目指引导角度运动，同时控制指向器的外方位框架和外俯仰框架跟随指向器的内方位框架和内俯仰框架运动，重复该步骤，直到指向器当前角度和目指引导角度一致。

基于分段控制的快速调旋策略，可在满足目标指示响应精度条件的前提下提高指向器响应速度，缩短系统反应时间。

进一步地，如图3所示，步骤S2中的多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤法，包括以下步骤：

S21、将视频图像分成4x4个的检测区域；

S22、进行目标初次检测，即从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，记录发现的目标位置信息，作为目标参考位置；

S23、目标周期循环检测，即在一个检测周期内，根据上次的目标参考位置，再次从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，如果该区域已有目标参考位置记录，则优先在记录位置附近检测目标；

S24、利用引导模式下指向器和雷达引导目标做等速同步运动的特征，对被检测出目标在多个连续检测周期中目标的位置信息进行关联分析，过滤掉相对位置变化过大的目标，保留与指向器相对同步运动的目标；

S25、重复步骤S23和步骤S24，实现雷达引导目标的定位。

进一步地，步骤S2中的二次过滤是指：对视频图像进行多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤后的定位目标数量不止1个，将所有定位目标按被记录的相对位置与视频图像中心由近到远的顺序依次对目标进行捕获跟踪并测距，利用指向器与各捕获目标之间的距离与雷达引导信息中目标距离值进行比较，二者差值最小的捕获目标为正确的雷达引导目标。通过二次过滤可以提高目标定位的准确性。

进一步地，步骤S3中的指向器运动稳定控制技术是指：在目标捕获阶段对指向器的内方位随动单元和内俯仰随动单元的速度环输出进行幅度限制，控制步骤S3中的指向器在捕获过程中的转动加速度和速度，使其满足图像跟踪处理的需求。

进一步地，述步骤S2中图像跟踪波门是指：视频图像中检测和锁定目标时在视频图像中叠加显示的一个大小可变的空心方框,方框覆盖的区域为视频图像中检测的范围，检测到并锁定目标时方框套住目标并跟随目标做同步运动，此时方框中心为目标中心，其到图像中心的距离为伺服跟踪所需的目标相对偏差角。

如图4所示，提供一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获，实现上述的自动目标捕获方法，包括指向器1、捕获传感器模块2和综合控制模块3，捕获传感器模块2设置于所述指向器1中，并分别和综合控制模块3连接，综合控制模块3包含伺服控制模块32、图像跟踪模块33和综合信息处理模块34，彼此之间通过电缆连接并设置于控制机柜31中。

进一步地，如图5所示，所述指向器1为两轴四框架结构，包括内俯仰框架结构11、内方位框架结构12、外俯仰框架结构13和外方位框架结构14，其中，

内俯仰框架结构11，包括内俯仰陀螺仪111、内俯仰测角传感器112、内俯仰框架、内俯仰轴114和内俯仰电机113，内俯仰陀螺仪111、内俯仰测角传感器112与内俯仰电机分别设置于内俯仰框架上并和综合控制模块3分别连接，内俯仰框架设置于内俯仰轴114上，能绕自身内俯仰轴114转动；

内方位框架结构12包括内方位陀螺仪、内方位测角传感器121、内方位框架、内方位轴123和内方位电机122，内方位电机122、内方位陀螺仪和内方位测角传感器121分别设置于内方位框架上并和综合控制模块3分别连接，内方位框架设置于内方位轴123上，且能绕内方位轴123转动；

外俯仰框架结构13包括外俯仰测角传感器131、外俯仰框架和外俯仰电机132，外俯仰测角传感器131和外俯仰电机132分别设置于外俯仰框架上并和综合控制模块3分别连接，外俯仰框架设置于外俯仰轴134上，且能绕外俯仰轴134转动；

外方位框架结构14包括外方位测角传感器141、外方位框架、外方位电机142和外方位转轴143，外方位测角传感器141和外方位电机142分别设置于外方位框架上并和综合控制模块3分别连接,外方位框架设置于外方位转轴143上，且能绕外方位转轴143转动。

进一步地，捕获传感器模块2包括激光测距仪、电视传感器和红外传感器，激光测距仪用于获取指向器和捕获目标之间的距离，电视传感器和红外传感器用于获取捕获目标的视频图像。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对连续接收的实时的目标位置雷达引导信息，进行基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置；

S2、利用多区域目标检测法和基于特征匹配的目标过滤法搜索定位电视传感器或红外传感器的视频图像中的雷达引导目标，实时更新记录被定位目标在视频图像中的相对位置，如果定位出的目标多于1个，则进行二次过滤，如果定位目标只有一个，则用图像跟踪波门锁定雷达引导目标；

S3、根据雷达引导目标在视频图像中的相对位置与图像中心的偏差，进行处理解算，并利用指向器运动稳定控制技术控制指向器转动，使图像中心对准锁定的雷达引导目标，完成雷达引导目标捕获。

2.根据权利要求1所述的自动目标捕获方法，其特征在于，步骤S1中的基于分段控制的快速调旋策略的处理解算并驱动指向器转动到引导角度位置，包括以下步骤：

S11、根据雷达引导信息获取的目指引导角度以及指向器当前的角度计算二者的角度差，即指向器调整角度；

S12、如果指向器调整角度大于分段控制参考阈值，指向器的外方位框架、外俯仰框架向目指引导角度运动的同时控制指向器的内方位框架和内俯仰框架处于旋转反向满偏位置，跳转到步骤S11，否则进入下一步；

S13、指向器调整角度不大于分段控制参考阈值，指向器的内方位框架和内俯仰框架向目指引导角度运动，同时控制指向器的外方位框架和外俯仰框架跟随指向器的内方位框架和内俯仰框架运动，重复该步骤，直到指向器当前角度和目指引导角度一致。

3.根据权利要求1所述的自动目标捕获方法，其特征在于，步骤S2中的多区域目标检测法和基于特征匹配的目标过滤法，包括以下步骤：

S21、将视频图像分成4x4个的检测区域；

S22、进行目标初次检测，即从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，记录发现的目标位置信息，作为目标参考位置；

S23、目标周期循环检测，即在一个检测周期内，根据上次的目标参考位置，再次从图像左上角开始向右下角循环检测所有区域的目标，如果该区域已有目标参考位置记录，则优先在记录位置附近检测目标；

S24、利用引导模式下指向器和雷达引导目标做等速同步运动的特征，对被检测出目标在多个连续检测周期中目标的位置信息进行关联分析，过滤掉相对位置变化过大的目标，保留与指向器相对同步运动的目标；

S25、重复步骤S23和步骤S24，实现雷达引导目标的定位。

4.根据权利要求1所述的自动目标捕获方法，其特征在于，步骤S2中的二次过滤是指：对视频图像进行多区域目标检测和基于特征匹配的目标过滤后的定位目标数量不止1个，将所有定位目标按被记录的相对位置与视频图像中心由近到远的顺序依次对目标进行捕获跟踪并测距，利用指向器与各捕获目标之间的距离与雷达引导信息中目标距离值进行比较，二者差值最小的捕获目标为正确的雷达引导目标。

5.根据权利要求1所述的自动目标捕获方法，其特征在于，步骤S3中的指向器运动稳定控制技术是指：在目标捕获阶段对指向器的内方位随动单元和内俯仰随动单元的速度环输出进行幅度限制，控制步骤S3中的指向器在捕获过程中的转动加速度和速度。

6.根据权利要求1所述的自动目标捕获方法，其特征在于，步骤S2中图像跟踪波门是指：图像处理检测和锁定目标时在视频图像中叠加显示的一个大小可变的空心方框。

7.一种两轴四框架光电跟踪设备自动目标捕获装置，其特征在于，实现权利1～6中的自动目标捕获方法，包括指向器、捕获传感器模块和综合控制模块，所述捕获传感器模块设置于所述指向器中，并分别和所述综合控制模块连接，所述综合控制模块包含伺服控制模块、图像跟踪模块和综合信息处理模块，彼此之间通过电缆连接并设置于控制机柜中。

8.根据权利要求7所述的自动目标捕获装置，其特征在于，所述指向器为两轴四框架结构，包括内俯仰框架结构、内方位框架结构、外俯仰框架结构和外方位框架结构，其中，

所述内俯仰框架结构，包括内俯仰陀螺仪、内俯仰测角传感器、内俯仰框架、内俯仰轴和内俯仰电机，所述内俯仰陀螺仪、内俯仰测角传感器与内俯仰电机分别设置于内俯仰框架上并和综合控制模块分别连接，所述内俯仰框架设置于所述内俯仰轴上，能绕所述内俯仰轴转动；

所述内方位框架结构包括内方位陀螺仪、内方位测角传感器、内方位框架、内方位轴上和内方位电机，所述内方位电机、内方位陀螺仪和内方位测角传感器分别设置于内方位框架上并和综合控制模块分别连接，所述内方位框架设置于所述内方位轴上，且能绕所述内方位轴转动；

所述外俯仰框架结构包括外俯仰测角传感器、外俯仰框架、外俯仰轴和外俯仰电机，所述外俯仰测角传感器和外俯仰电机分别设置于所述外俯仰框架上并和综合控制模块分别连接，所述外俯仰框架设置于所述外俯仰轴上，且能绕所述外俯仰轴转动；

所述外方位框架结构包括外方位测角传感器、外方位框架、外方位电机和外方位转轴，所述外方位测角传感器和外方位电机分别设置于所述外方位框架上并和综合控制模块分别连接,外方位框架设置于所述外方位转轴上，且能绕所述外方位转轴转动。

9.根据权利要求7所述的自动目标捕获装置，其特征在于，所述捕获传感器模块为激光测距仪、电视传感器和红外传感器，所述激光测距仪用于获取指向器和捕获目标之间的距离，所述电视传感器和红外传感器用于获取捕获目标的视频图像。

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